重介質(zhì)旋流器分選工藝研究

帖志國

（山西煤炭進出口集團中北煤炭儲運有限公司，山西 太原 037000）

引言

我國煤炭資源儲量豐富，但其賦存不均，煤炭主要集中在內(nèi)蒙古、新疆、陜西、山西等地，隨著我國多年來對煤炭資源的開采，目前我國煤炭資源的儲量日益降低，所以提升煤炭資源利用率對于我國高質(zhì)量發(fā)展十分重要，在原煤利用過程中，選煤工藝對于煤炭資源的利用率影響較為嚴重。據(jù)統(tǒng)計，近年來我國原煤入選量逐步接近30 億t，而在傳統(tǒng)的選煤工藝中，重介工藝由于對原料種類、分選精度、分選效率及對分選顆粒適應(yīng)性等方面的優(yōu)越性，使得其在所有選煤工藝中占比十分巨大，是目前我國選煤的主導(dǎo)工藝方法[1-2]。三產(chǎn)品重介旋流器作為煤炭洗選的重要設(shè)備，其具備體積小、效率高等特點。但在三產(chǎn)品重介旋流器使用過程中，由于二段重介質(zhì)密度難于調(diào)整，使得分選效率無法得到較佳的要求[3-4]，因此針對不同粒徑下重介質(zhì)旋流器分選效果進行研究。

1 模型建立

三產(chǎn)品重介旋流器主要是由兩臺兩產(chǎn)品重介旋流器進行串聯(lián)組裝而成的。其本質(zhì)與兩產(chǎn)品旋流器相差不大，在工作過程中其第一段為主選，在此階段采用低密度的懸浮液進行分選工藝，此時在第一段選出精煤為再選入料，與此同時懸浮液的濃縮為二段分選提供高密度懸浮液，此時第二段為再選，再選完成后分選出矸石和中煤兩種產(chǎn)品。隨著流體力學(xué)的不斷發(fā)展，為了提升研究深度，大量計算流體力學(xué)的軟件應(yīng)聲而出。本文基于CFD 技術(shù)，采用多相流混合模型對不同粒徑下旋流器內(nèi)部顆粒分布情況進行研究。

首先，進行模型的建立，本文采用的計算模型基于WTMC1200/850 三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，在進行模型建立前需要對模型進行必要的簡化，以此來達到在保證計算精度的同時，降低模擬的計算時間。模型簡化如下：旋流器的一段與二段選用并排布置；考慮到溢流管的壁厚對于整體模型尺寸較小，所以忽略壁厚。設(shè)定模型的大致尺寸如下：一段入料口尺寸為275 mm×175 mm；連接管的尺寸為200 mm×175 mm；圓筒直徑一段為1 200 mm，二段為850 mm；一段溢流口的直徑為375 mm，二段溢流口的直徑為325 mm；二段底流口的直徑為235 mm。其次，完成尺寸設(shè)定后對模型進行網(wǎng)格劃分，為保證模型計算的精確性，選定軟件自帶網(wǎng)格劃分模塊進行劃分，網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)為六面體結(jié)構(gòu)，模型網(wǎng)格劃分示意圖如圖1 所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分示意圖

對模型的參數(shù)進行設(shè)定，根據(jù)計算需求，選定分散相直徑為0.001 mm，重介質(zhì)顆粒的直徑為0.01～0.05 mm。設(shè)定懸浮液進口為速度進口，進口的速度為7.5～8 m/s，其介質(zhì)循環(huán)量為1 300～1 400 m3/h。原煤進口同樣采用速度進口，速度為2.5 m/s。

2 模擬計算

對模型進行模擬分析，首先對旋流器內(nèi)部懸浮液的密度分布進行分析，懸浮液分布云圖如下頁2所示。

從下頁圖2 中可以看出，旋流器內(nèi)部軸向截面內(nèi)密度分布呈現(xiàn)對稱的趨勢，其對稱軸為模型的軸線，同時在一段旋流器的中心位置存在穩(wěn)定的低密度分布區(qū)域，稱之為空氣柱。在此位置密度最小值為1.23 kg/m3，而在一段模擬云圖的兩邊位置懸浮液的密度分布較大，但較大區(qū)域的面積較小，在一段分選模擬云圖內(nèi)密度最大值為4 190 kg/m3。觀察二段旋流器內(nèi)部密度分布情況，可以看出此段位于底流口兩邊位置懸浮液密度較大，且分布區(qū)域較廣，在此位置最大的密度為4 930 kg/m3。在旋流器器壁出現(xiàn)密度突然增大的情況主要是由于在器壁位置會留存大量的介質(zhì)顆粒，且距離溢流口位置越遠介質(zhì)顆粒的滯留現(xiàn)象越明顯，由于滯留介質(zhì)顆粒的作用，這時的壁面位置密度場發(fā)生一定的改變。

圖2 懸浮液分布云圖

對不同粒徑下在一段、二段溢流口及二段底流口的顆粒百分數(shù)進行模擬統(tǒng)計，匯總直方圖如圖3 所示。

圖3 匯總直方圖

從圖3 中可以看出，不同顆粒直徑下顆粒在各個出口的體積分數(shù)大不相同，當(dāng)顆粒粒徑為0.01 mm、0.02 mm 時，此時三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器內(nèi)顆粒主要從一段旋流器的溢流口流出的，兩種直徑下顆粒在一段溢流口流出的百分數(shù)分別可以達到71%和60%；當(dāng)重介質(zhì)顆粒直徑為0.03 mm 時，此時的旋流器內(nèi)部重介質(zhì)顆粒在一段、二段溢流口和二段底流口流出的顆粒百分數(shù)相差不大；當(dāng)重介質(zhì)顆粒直徑為0.04 mm、0.05 mm、0.08 mm 時，此時的重介質(zhì)顆粒主要是從二段底流口流出。綜上，不同粒徑的顆粒流出基本服從較小介質(zhì)顆粒（0.01 mm、0.02 mm）從精煤口、超過0.04 mm 的大介質(zhì)顆粒從矸石口流出的規(guī)律。0.03 mm顆粒在二段溢流口流出。同時從旋流器角度可以看出，當(dāng)顆粒粒徑小于0.02 mm 時，只有少量顆粒能夠進入二段旋流器，大部分顆粒從一段旋流器中流出，而當(dāng)顆粒直徑超過0.03 mm 時，此時一段旋流器流出的顆粒較少，大部分粗顆粒進入二段旋流器，并從二段旋流器的底流口流出。

對不同介質(zhì)顆粒在旋流器內(nèi)部分布情況進行模擬研究，本文僅對介質(zhì)顆粒0.01 mm、0.02 mm、0.03 mm、0.04 mm 四種情況下的旋流器內(nèi)部顆粒分布情況進行分析，四種介質(zhì)顆粒粒徑下的顆粒分布云圖如圖4 所示。

圖4 不同顆粒粒徑下的顆粒分布云圖

從圖4 可以看出，不同介質(zhì)顆粒下旋流器內(nèi)部的體積分數(shù)是不同的，當(dāng)顆粒直徑為0.01 mm 時，此時旋流器內(nèi)部的體積分數(shù)基本維持在0.04 左右，為入口濃度，在旋流器壁位置和空氣柱附近顆粒體積分數(shù)略有升高，原因與顆粒掛壁有關(guān)，這里不做贅述，0.01 mm 的介質(zhì)顆粒在旋流器內(nèi)無明顯變化，此時的設(shè)備離心作用并未產(chǎn)生分選作用。此時提升顆粒的粒徑可以提升旋流器內(nèi)“基礎(chǔ)”密度。當(dāng)顆粒的粒徑為0.02 mm 時，此時在接近底流口的位置類似0.01 mm 介質(zhì)顆粒的分布特性，在接近溢流口的位置介質(zhì)顆粒在空氣柱位置密度有所升高，而在器壁位置密度有所降低，所以空氣柱附近顆粒富集并未導(dǎo)致密度升高。當(dāng)顆粒直徑為0.03 mm 時，此時空氣柱側(cè)顆粒密度增加速度很快，顆粒力度對密度分布影響較大。顆粒直徑大于0.04 mm 時，隨著與溢流口的靠近，濃度逐漸增加，密度的增大主要集中在旋流器靠近溢流口附近，此時空氣柱側(cè)濃度下降，所以該介質(zhì)顆粒是影響下半部分密度分布特性主要粒徑。

3 結(jié)論

1）對旋流器內(nèi)部懸浮液進行分析，發(fā)現(xiàn)旋流器內(nèi)部軸向截面內(nèi)密度分布呈現(xiàn)對稱的趨勢，其對稱軸為模型的軸線。

2）對不同粒徑下在一段、二段溢流口及二段底流口的顆粒百分數(shù)進行分析發(fā)現(xiàn)，不大于0.02 mm 的顆粒在一段溢流口，大于0.03 mm 的在二段底流口分布較多。

3）對不同粒徑下旋流器內(nèi)部顆粒分布情況進行分析發(fā)現(xiàn)，隨著顆粒粒徑的增大，旋流器靠近溢流口附近密度較大，在空氣柱側(cè)密度降低。